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基于空间光场调控的光学微操纵技术研究

梁言生  
【摘要】:光镊因具有非机械接触、低损伤、操控对象范围广、可高精度测量微小位移量和作用力等特点,被广泛应用于生命科学和物理学等领域的研究。空间光场调控技术通过调制光场的振幅、相位和/或偏振态空间分布,可以产生任意复杂的点光阱阵列分布或特殊模式光束(如涡旋光、任意弯曲光场等),实现多光阱动态微操纵、光学旋转和光学输运等丰富的功能,将传统的光镊技术发展为广义的光学微操纵技术。通过对微粒的精确操控,光学微操纵技术已经成为了胶体粒子相互作用研究、微粒的分选、晶体结构的制作、微化学反应研究等领域的强有力工具。因此,通过空间光场调制产生新颖的光场分布,拓展光学微操纵的功能,对光学微操纵技术的应用和发展具有重要的意义。本论文围绕着基于空间光场调控的光学微操纵技术主要开展了以下工作:1.设计并搭建了一套紧凑型多功能光学微操纵系统,提出了利用高阶涡旋光来校正系统像差的方法。该系统采用模块化设计,结构紧凑稳定,光能利用率高(约40%),体积约为400×400×500mm~3。使用LabVIEW软件开发了实时动态微操纵界面程序,实现了对数十个微粒的同时捕获与实时动态控制(刷新频率约13Hz)。利用该系统对直径在亚波长至十几微米的微粒进行了捕获与操纵,操纵对象包括细胞、胶体粒子等微粒。利用高阶涡旋光作为校正标准进行像差校正,不需要对系统进行任何改动,简单有效。通过像差校正,系统的光场调制效率提高了64%,(x,y)方向的光阱刚度分别由(94.61,133.02)pN/μm提高到(222.06,192.17)pN/μm,分别提高至原来的2.35倍和1.44倍。2.提出一种基于45°微反射镜的轴平面成像技术和基于轴平面傅里叶变换的轴平面GS算法,实现了轴平面同时捕获与成像。轴平面成像和操控技术突破了传统光镊系统只能在横平面进行微粒跟踪与操纵的限制,使在轴平面进行更加复杂的光学微操纵和直接观测成为可能。本文提出的轴平面成像和操控技术实现了约300μm的轴向全息光学微操纵距离,轴平面GS算法可以快速地在轴平面产生高质量的光场分布,具有比三维迭代算法更快的计算速度和效率。结合轴平面成像技术和轴平面GS算法,实现了轴向1×3光阱阵列的捕获和光阱刚度的标定。3.研究了微粒在不同类型涡旋光束中的旋转运动特性。光与物质相互作用中的角动量传递会对微粒产生力矩,使其做轨道旋转或者自旋运动。研究微粒在光场中的轨道和自旋运动特性,有助于了解其角动量传递的物理机制和促进光学旋转的应用。本文理论分析和实验研究了高折射粒子在拉盖尔-高斯(Laguerre-Gaussian,LG)光束中的运动特性和规律;研究了近完美涡旋光束对低折射率粒子的旋转操纵,提出并证明了提高粒子旋转效率的方法。研究了双折射晶体微粒在圆偏振涡旋光束中的运动特性。提出了结合圆偏振和低阶涡旋相位来提高双折射晶体微粒自旋效率的方法,并证明了双折射晶体微粒在圆偏振高阶涡旋光束中轨道运动与自旋运动的同时存在。4.利用轴平面成像和操控技术研究了贝塞尔(Bessel)光束、径向高阶LG光束和倾斜Bessel光束的直线轨迹输运微粒,以及艾里(Airy)光束和蛇形光束的弯曲轨迹输运微粒的动力学特性。光学输运在微粒分选中发挥着日益重要的作用,而无衍射光束的长距离传播特点使其成为了光束输运微粒的理想工具。本文提出的轴平面成像和操控技术为研究无衍射光束的光学输运特性提供了有效的工具。利用零阶Bessel光束和径向高阶LG光束,实现了在紧聚焦条件下长达300μm的轴向输运距离。利用倾斜Bessel光束,实现了倾斜角18.7°的斜线轨迹光学输运。利用Airy光束和蛇形光束,实现了沿弯曲轨迹的光学输运。对于多种类型的无衍射光束光学输运的分析,有助于光学分选在复杂环境中的应用研究。


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